Eingebettetes System

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Eingebettetes System auf einer Einsteckkarte mit Prozessor, Speicher, Stromversorgung und externen Schnittstellen

Ein eingebettetes System (auch englisch „embedded system“) ist ein Computer, der in einen technischen Kontext eingebunden (eingebettet) ist. Dabei übernimmt der Rechner entweder Überwachungs-, Steuerungs- oder Regelfunktionen oder ist für eine Form der Daten- bzw. Signalverarbeitung zuständig, beispielsweise beim Ver- bzw. Entschlüsseln, Codieren bzw. Decodieren oder Filtern.

Eingebettete Systeme verrichten – weitestgehend unsichtbar für den Benutzer – ihren Dienst in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen und Geräten, beispielsweise in Geräten der Medizintechnik, Waschmaschinen, Flugzeugen, Kraftfahrzeugen, Kühlschränken, Fernsehern, DVD-Playern, Set-Top-Boxen, Routern, Mobiltelefonen oder allgemein in Geräten der Unterhaltungselektronik. Im Fall von komplexen Gesamtsystemen handelt es sich dabei meist um eine Vernetzung einer Vielzahl von ansonsten autonomen eingebetteten Systemen (so im Fahrzeug oder Flugzeug).

Oft werden eingebettete Systeme speziell an eine Aufgabe angepasst. Aus Kostengründen wird eine optimierte gemischte Hardware-Software-Implementierung gewählt. Dabei vereint eine solche Konstruktion die große Flexibilität von Software mit der Leistungsfähigkeit der Hardware. Die Software dient dabei sowohl zur Steuerung des Systems selbst als auch zur Interaktion des Systems mit der Außenwelt über definierte Schnittstellen oder Protokolle (z. B. LIN-Bus, CAN-Bus, ZigBee für drahtlose Kommunikation oder IP über Ethernet).

Charakterisierung

Eingebettete Systeme können in Einzelfällen auf ähnlicher Hardware wie Arbeitsplatzcomputer basieren (Embedded-PCs). Typischerweise unterliegen sie jedoch stark einschränkenden Randbedingungen: minimale Kosten, geringer Platz-, Energie- und Speicherverbrauch. Einzelne Komponenten wie Prozessor und Arbeitsspeicher basieren oft auf Weiterentwicklungen älterer Komponenten, was die langfristige Einsetzbarkeit und Ersatzteilbeschaffung erleichtert. „Moderne“ eingebettete Systeme basieren häufig auf Prozessorplattformen, die mit der PC-Welt wenig gemeinsam haben, aber in Bezug auf die Peripheriemodule hochintegriert sind und durch moderne Stromspartechniken deutlich weniger Energie verbrauchen.

Bei vielen Anwendungen kann die Verwendung einer älteren Prozessorarchitektur dazu beitragen, Kosten zu senken. So sind die Architekturen der MCS-51-, Microchip-8Bit-PIC- oder Z80-Serie trotz ihres Alters und bekannter Schwächen immer noch eine sehr beliebte Basis für eingebettete Systeme. Die Wiederverwendung von Programmcodes und Toolchains sowie die Scheu vor vollständigen Redesigns „ohne Not“ sind hierbei neben den reinen Materialkosten ebenfalls nicht zu unterschätzende Randfaktoren.

In einem eingebetteten System muss die Software oft Echtzeitanforderungen genügen. In der Regel existieren, verglichen mit PC-Hardware, nur stark reduzierte Ressourcen, zumeist ohne Festplatte, häufig ohne Betriebssystem, Tastatur oder Bildschirm. Ein ROM- oder Flash-Chip ersetzt mechanische Speicherkomponenten wie eine Festplatte, stromsparende Prozessoren kommen ohne Lüfter aus, denn bewegliche Teile bedeuten Verschleiß und Fehleranfälligkeit. Wenn überhaupt, dann gibt es meistens nur ein Tastenfeld, und die Ausgabe wird – soweit vorgesehen – durch ein LCD realisiert.

Die Software auf einem solchen Gerät wird Firmware genannt. Sie befindet sich gewöhnlich auf einem ROM, immer häufiger jedoch auf Flash-Speicher. Im Falle eines Flash-Speichers besteht die Möglichkeit eines Firmware-Updates, ohne dass der Chip ausgewechselt werden muss. Ist nur ein ROM vorhanden, muss zumeist der gesamte Chip ausgewechselt werden, manchmal auch die gesamte Schaltung.

Firmwarekomponenten

Im Wesentlichen besteht die Firmware aus drei Komponenten.

Bootloader
Sorgt für das Laden des Betriebssystems und der Applikationssoftware. Weiter bietet dieser die Möglichkeit, Betriebssystem und Applikationssoftware im Flash-Speicher zu aktualisieren. Dies kann entweder über eine serielle Schnittstelle (RS232) oder über Ethernet und IP erfolgen. Bekannte Bootloader für eingebettete Systeme sind RedBoot oder U-Boot.
Betriebssystem
Dieser Softwareteil sorgt u. a. für das Multitasking, Speicher und Dateiverwaltung (z. B. JFFS2) sowie für IP-Dienste wie TFTP, HTTP, SNMP und Telnet.
Applikationssoftware
Dieser Teil enthält die anwendungsspezifische Software. Diese wird auch als Anwendungssoftware bezeichnet.

Bei kleinen eingebetteten Systemen können die drei Softwareteile zusammengefasst sein.

Plattformen

Eingebettete Systeme werden mittels vieler verschiedener CPU-Architekturen (8051, Arm, AVR, TI MSP430, MIPS, PowerPC, 68000/Coldfire, Intel x86, 68HC12, C167, Renesas M16C, H8S und diverser anderer 8/16/32-Bit-CPUs) realisiert.

Eine Untergruppe der Architekturen sind die Prozessorfamilien (beispielsweise 8051, AVR, PIC16, ARM7, PowerPC 5xx, MIPS 4k, AMD AU1000, Intel Pentium M), bei denen verschiedene Varianten mit denselben Entwicklungswerkzeugen und Debugtools betrieben werden können. Unterschiede innerhalb einer Prozessorfamilie bestehen bei der Geschwindigkeit und vor allem der Ausstattung mit Speicher und Peripheriebausteinen.

Eine besonders flexible Plattform sind hochintegrierte FPGA-Bausteine, mit denen zum einen unterschiedliche CPU-Architekturen nachgebildet werden können (beispielsweise 68000 und PowerPC 405 auf einem Chip) und zum anderen auch gut parallele Rechenleistung ohne Prozessor – nur mittels dedizierter Logik – zur Verfügung gestellt werden kann. In realen Anwendungen werden oft beide Ansätze in einem FPGA als SoC integriert. Zum Einsatz kommen hierbei als Prozessor sowohl fest verdrahtete Hardmakros wie die PowerPC-Kerne in verschiedenen Xilinx-Virtex-FPGAs als auch flexibel konfigurierbare Softcore-Prozessoren wie Alteras Nios II, Xilinx MicroBlaze, der Mico32 von Lattice oder auch IP-Cores eines Mikrocontrollers wie PIC oder 8051.

Betriebssystem

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Embedded-PC Simatic Microbox PC 427B von Siemens auf dem das Betriebssystem Windows XP Embedded installiert ist

Bei „kleinen“ Systemen kommt häufig kein Betriebssystem zum Einsatz.

Wenn in eingebetteten Systemen ein Betriebssystem eingesetzt wird, handelt es sich meistens um darauf spezialisierte Betriebssysteme (Beispiele: QNX, VxWorks, Nucleus, OSEK, OS-9, RTEMS, ECOS). Auch spezielle sogenannte eingebettete Versionen von Standardbetriebssystemen wie Linux (siehe Embedded Linux), NetBSD oder Windows (3.x, CE, XP Embedded, Automotive oder Windows Embedded POSReady 2009/POSReady 7) kommen inzwischen zum Einsatz.

Oftmals haben Anwendungen weiche oder gar harte Echtzeitanforderungen, wie unten näher beschrieben ist. Hierfür müssen spezielle Echtzeitbetriebssysteme oder Betriebssysteme mit entsprechend angepassten Kernen verwendet werden.[1]

Entwicklungsumgebung, Programmierung, Werkzeuge

Die Software zur Programmentwicklung, also Compiler, Assembler und Debugger (wobei beim Debugging regelmäßig auch Hardware eingesetzt werden muss), wird in der Regel von verschiedenen Herstellern angeboten:

  • Halbleiterhersteller, die am Absatz ihrer Prozessoren und Controller interessiert sind, und
  • Softwarefirmen, die sich auf solche Programme spezialisiert haben.

Die Software für Embedded Systeme, die Firmware, wird in der Regel über einen Crosscompiler erzeugt. Dieser Compiler läuft auf dem Entwicklungssystem (PC-Architektur), also normalerweise einer anderen Architektur als der des Zielsystems. Viele Crosscompiler sind nicht auf einen bestimmten Prozessor begrenzt, sondern können Maschinencode für eine ganze Prozessorfamilie erzeugen, wie ARM7, PowerPC 8xx.

Manche Hersteller bieten auch System Design Kits an, die eine Prototypenplatine mit dem entsprechenden Prozessor zusammen mit einem Satz Software Development Kit und Dokumentation zu Hard- und Software enthalten.

In zunehmendem Maße erfolgt die Softwareentwicklung für eingebettete Systeme mit Hilfe modellbasierter Entwicklung, bei der graphische Modelle des Verhaltens spezifiziert werden, welche dann mittels Codegenerierung in C-Code überführt werden.

Bevorzugte Programmiersprache ist im Allgemeinen C oder C++, aber auch für Java gibt es Ansätze wie OSGi. Assemblersprache wird dann eingesetzt, wenn zeitkritische oder Gerätetreiber-Funktionen vor allem in Interrupts programmiert werden oder wenn das Betriebssystem selbst an eine neue Umgebung bzw. CPU angepasst werden muss. Oberhalb des Betriebssystems ist Assembler eher eine Randerscheinung, in Systemen ohne Betriebssystem und vor allem bei massiven Speicherrestriktionen kommt Assembler jedoch häufiger zur Anwendung. In sicherheitskritischen Anwendungen wie bei Flugsteuerungsrechnern werden in eingebetteten Systemen auch eher exotische Sprachen wie Ada eingesetzt – man muss hier allerdings differenzieren zwischen den zeitkritischen und den sicherheitskritischen Anwendungsebenen, für die ggf. innerhalb des Systems unterschiedliche Anwendungen und Programmiersprachen verantwortlich sein können. Nicht nur in der Automobilindustrie findet häufig die sogenannte modellbasierte Entwicklung mit MATLAB/Simulink oder ASCET Anwendung. Aus den Modellen wird automatisch C-Code generiert, der wiederum für den entsprechenden Zielprozessor kompiliert wird.

Das Testen von Software für eingebettete Systeme findet oft in frühen Entwicklungsphasen auf dem PC statt. Dafür muss häufig die Umgebung der Anwendung, mit der das eingebettete System kommuniziert, simuliert werden. Diese Simulation heißt dann MiL (Model in the Loop) oder SiL (Software in the Loop). Wenn die Software auf der Zielhardware implementiert ist, spricht man dagegen von HiL (Hardware in the Loop); der Zugriff auf die Testhardware vom PC aus erfolgt dabei in der Regel über einen Hardware-Emulator.

Softwareentwicklung

Die Softwareentwicklung für eingebettete Systeme unterscheidet sich grundsätzlich von der für Desktop- oder PC-Systeme, da hierbei der Fokus auf den Möglichkeiten der Ein-/Ausgabe liegt. Die Funktionen dafür sind hardwareabhängig und für jedes System neu zu entwickeln.

Debugging, Fehlersuche

Debugging umfasst Fehlerbeseitigung sowohl in der Software als auch in dem integrierten System. Für Software-Testing kann ein In-Circuit-Emulator (ICE) verwendet werden, eine Kombination aus Programm und Hardware, die es erlaubt, die Software im System, also auf der Zielhardware zu testen. Traditionellerweise muss dazu der eigentliche Controller gegen die ICE-Hardware (ein Bond-out-Prozessor) ausgetauscht werden. Das erlaubt es, die Software komfortabel und ohne weitere Eingriffe in der Zielhardware zu entwickeln. Da mit dem ICE Zugriffe auf die Peripherie der CPU möglich sind, lassen sich Software- von Hardwarefehlern unterscheiden und trennen. Früher wurde dazu ein Logikanalysator benötigt, der als Zusatzoption die Ziel-CPU emulieren konnte.

Heutzutage haben eingebettete CPUs schon einen „Schmalspur“-ICE an Bord, so dass der Hardware-ICE nicht unbedingt benötigt wird. Demgegenüber sind die Einwirkungsmöglichkeiten der Debugging-Software auf die Ziel-CPU eingeschränkt. Eine komplette Überwachung der CPU ist nicht möglich, dafür sind jedoch die Kosten erheblich geringer. Kostet ein voll ausgebautes ICE-System für ein 68000-Derivat einen bis zu sechsstelligen Eurobetrag, liegen die Kosten für solch ein „Schmalspur“-System im unteren 3-stelligen Eurobereich. Meist kommt eine Schnittstelle vom Typ JTAG zum Einsatz. Eine Alternative für Coldfire- und 68000-Derivate ist die Schnittstelle Background Debug Module (BDM) von Motorola.

Auch bei modernen ARM-Architekturen, Controller mit Cortex-M3 Core, ist sie als spezieller Debugging-Core vorhanden: https://developer.arm.com/documentation/ddi0337/e/DDI0337E_cortex_m3_r1p1_trm.pdf (Chapter 10…13) Das ist ein Teil des Microcontrollers, der für den normalen Programmablauf nicht nötig und nur für das Debugging eingebaut ist. Dieser Debugging-Core kann mit einer Debugging-Software über einen JTAG- oder SWD-Adapter angesprochen werden. Damit lässt sich der Prozessor an beliebigen Stellen im Programm anhalten, und die Werte der Register oder des Speichers können angesehen oder verändert werden. Auch ein schrittweises Abarbeiten des Codes zur Fehlersuche ist möglich. Als Hardware ist hier ein JTAG- oder SWD-Adapter nötig, der oft unter 100 € zu bekommen ist. Die Debuggersoftware kann von voll funktionsfähiger Freeware (gdb + ddd, gdb + kgdb, Eclipse) bis zu professioneller Software im Tausend-Euro-Bereich reichen.

Alternativ wird oft mit Simulatoren gearbeitet, welche die interne Struktur und die Peripherie des Mikrocontrollers in Software nachbilden. Beim Debugging sind die „externen“ Signale (Tasten, Display) „von Hand“ nachzubilden, wobei Interrupts benutzt werden müssten, die im Simulator nicht realisierbar sind.

Es gibt auch bei eingebetteten Systemen Entwicklungen auf Java-Basis, begründet im einfacheren Plattformwechsel und der Plattformunabhängigkeit mit Wegfall von Simulatoren (siehe OSGi und Embedded Java).

Der Microcode-Interrupt lässt den Debugger auf der Hardware arbeiten statt nur auf der CPU. Vom Standpunkt der CPU aus können CPU-basierte Debugger dann benutzt werden, um die Elektronik des Computers zu testen und gegebenenfalls Fehler zu diagnostizieren. Diese Fähigkeit wurde an der PDP-11 (siehe Programmed Data Processor) erforscht und entwickelt.

Der Systemtest wird mittels der Hardware-in-the-Loop-Technik durchgeführt, bei der das fertige System an eine Spezialhardware angeschlossen wird, die die Umgebung des Systems simuliert. Auf diese Weise kann das Verhalten des Systems mit Testfällen detailliert untersucht werden.

Struktur der Systemumgebung, welche das eingebettete System aufnimmt

Zwischen dem eingebetteten System und der Systemumgebung, welche das eingebettete System aufnimmt, befinden sich in der Regel verschiedene Schnittstellen. Diese Schnittstellen können je nach Anwendungszweck des eingebetteten Systems in der Praxis sehr unterschiedlich ausgeführt sein. Eine spezielle Schnittstelle ist dabei die Benutzerschnittstelle (User Interface). Des Weiteren liegen zwischen System und Systemumgebung ein oder mehrere Application Programming Interfaces.

Softwarekonzepte zur Berücksichtigung der Erfordernisse, die sich aus der Struktur der Systemumgebung ergeben

Viele Anwendungen werden erst dadurch sinnvoll und nutzbar, dass die dafür erforderliche Signalverarbeitung in Echtzeit erfolgt. Geräte, Systeme und Verfahren, die mit dem Attribut "Echtzeit" versehen werden, sollten nach objektiven Maßstäben Kriterien wie "Rechtzeitigkeit", "Vorhersagbarkeit", "Sicherheit" und "Zuverlässigkeit" erfüllen.[2] Dies setzt eine Echtzeitplanung von Tasks und Prozessen voraus. Überdies muss die maximale Laufzeit zur Erfüllung einer Aufgabe aus der Systemumgebung bestimmbar, also einem deterministischen Prozessablauf zugehörig sein. Die Reaktionszeit des Systems zur Erfüllung der Aufgabe muss dem Kriterium der "Rechtzeitigkeit" genügen.

Zur Realisierung der Echtzeitverarbeitung finden unter Berücksichtigung der Benutzerschnittstelle(n) und der Application Programming Interfaces verschiedene Softwarekonzepte Anwendung.

Zeitgesteuertes versus ereignisgesteuertes Design für Embedded Software

Die nachfolgend aufgeführte sogenannte "Regelschleife", die auf den Entwurf eines Reglers hinausläuft, ist allenfalls für äußerst einfache regelnde Embedded-Systeme in der Industrie geeignet. Sie muss noch nicht mal mit Echtzeit unterlegt sein. Davon zu unterscheiden ist der sogenannte "reaktive Ansatz", der auf den Entwurf eines sogenannten "reaktiven Systems" hinausläuft, das sich in ständiger Interaktion mit der Umgebung befindet, wobei die Umgebung dominiert und das reaktive System sich dieser unterordnet.

Regelschleife

Regelschleifen werden für Regelungssysteme eingesetzt, die zyklisch Berechnungen aufgrund von Eingangssignalen vornehmen und Ausgangssignale senden (siehe Regelungstechnik). Dies wird auch als "zeitgesteuertes Design" bezeichnet (siehe Embedded Software Engineering).

Reaktiver Ansatz

Der reaktive Ansatz führt zum Entwurf eines Prozessablaufs, in welchem aperiodisch auftretende Ereignisse, wie etwa ein Tastendruck oder eine Folge von Tastendrücken, verarbeitet und daraus resultierende Aktionen veranlasst werden. Derartiges wird als "ereignisgesteuertes Design" bezeichnet (siehe Embedded Software Engineering).

Systemstart

Alle eingebetteten Systeme haben einen Start-up Code, der nach dem Einschalten durchlaufen wird. Normalerweise deaktiviert dieser die Interrupts, kalibriert die interne Elektronik, testet den Computer (RAM, ROM, CPU) und startet den eigentlichen Programmcode, nachdem alles erfolgreich getestet wurde.

Viele dieser Systeme sind innerhalb von 100 ms einsatzbereit. Selbst nach einem kleinen Stromausfall oder einer Spannungsschwankung laufen diese Geräte sofort weiter, da die interne Hardware den Selbsttest der Hardware und Software überspringt. Es tritt jedoch durch möglicherweise veränderte Bits im RAM undefiniertes Systemverhalten auf, das eine Schaltung zur Spannungsüberwachung (Supply Voltage Supervisor, SVS oder auch Brownout Detection genannt) vermeidet. Der SVS löst einen „richtigen“ Reset aus, so dass das System komplett initialisiert wird und auch die Selbsttests durchläuft.

Die Dauer des Systemstarts ist bei der Kfz-Elektronik an den Kontrollleuchten erkennbar, die nach Einschalten der Zündung aufleuchten und nach kurzer Zeit wieder erlöschen. Der Systemstart führt bei vielen Geräten dazu, dass das Einschalten länger dauert als bei analogen Geräten, beispielsweise bei Autoradios.

Kommunikation des Systemtechnikers mit dem eingebetteten System im Betrieb

Eingebettete Systeme besitzen häufig keinen eigenen Anschluss für ein Display oder Eingabegeräte. Jedoch kann eine mittelbare Benutzerkommunikation über Datenschnittstellen vorgesehen werden. So haben netzwerkfähige Drucker und andere Geräte ein Webinterface oder eine serielle Schnittstelle, über die per Browser oder Terminalemulation alle wichtigen Konfigurationseinstellungen erfolgen.

Entwurf eingebetteter Systeme

Die Elektronik bildet ein Mikroprozessor mit entsprechender Peripherie oder ein Mikrocontroller. Einige eher veraltete Systeme verwenden noch Allzweck-Mainframes oder Minicomputer.

Aspekte bei Entwurfsentscheidungen zu eingebetteten Systemen

Folgende Aspekte spielen bei Entwurfsentscheidungen von eingebetteten Systemen eine Rolle:

Integration
Je mehr Funktionalität der verwendete Mikrocontroller bereits enthält, desto weniger Peripheriebausteine werden benötigt, um die Anbindung an die benötigten Systemschnittstellen (Ein-/Ausgabe) zu ermöglichen. Je weniger Bausteine eine Platine benötigt, desto geringer sind der Platzbedarf der Leiterbahnen und die Signallaufzeiten zwischen den Bausteinen. Diese Überlegungen führten dazu, dass auf Mikrocontrollern schon ausreichend RAM und andere Peripherie-Funktionen vorgesehen sind.
Hardwareanforderungen
Je nach Einsatzumgebung des Systems können unterschiedlichste Rahmenbedingungen entstehen. Wenn es um raue Umweltbedingungen wie Hitze und Staub geht, muss die Hardware robust, also vor allem hermetisch gekapselt sein. Wenn es dabei um aufwändigere Systeme geht, sind Industrie-PCs oft eine Lösung. Wenn es um ständige mechanische Erschütterungen geht, müssen Steckverbindungen eingespart oder besonders robust ausgeführt werden. Bauteile mit beweglichen Komponenten wie Festplattenlaufwerke oder Lüfter sind möglichst zu vermeiden.
Stromverbrauch
In vielen Fällen werden eingebettete Systeme mit Batterien betrieben. Diese werden, wie bei Wasserzählern, nur im Eichintervall (5 Jahre + Laufzeitreserve) getauscht. Die hohen Laufzeiten werden durch spezielle Chiptechnologien (z. B. CMOS) und Maßnahmen in der Software, wie Schlafmodus, erreicht.
Echtzeitanforderungen
Hohe Verfügbarkeit und definierte Antwortzeiten sind häufig gestellte Anforderungen an ein eingebettetes System und damit auch an dessen Betriebssystem und Software. Beispielsweise muss die elektronisch gesteuerte Bremse oder der Airbag nahezu unverzögert im Millisekundenbereich reagieren, eine Überschreitung der definierten Latenzzeit ist nicht tolerierbar. Die einfache und geschlossene Bauweise sowie die Verwendung spezieller Echtzeitbetriebssysteme erlauben es schon in der Entwicklungsphase, die Reaktionszeiten des Gesamtsystems abzuschätzen.
Betriebssicherheit
Viele eingebettete Systeme laufen im Gegensatz zu PCs im Dauerbetrieb. Fehler und Störungen, wie bei Problemen mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), erfordern spezielle Maßnahmen im eingebetteten System, um einen zuverlässigen Wiederanlauf zu gewährleisten. Daher sind Mikrocontroller mit einem Watchdog ausgerüstet. Dieser bewirkt bei Unregelmäßigkeiten im Ablauf einen kontrollierten Wiederanlauf und stellt damit die Verfügbarkeit des eingebetteten Systems ohne Eingriff des Benutzers sicher.
Stückpreis
Der Stückpreis hängt von den Entwicklungs- und Herstellungskosten ab. Bei großen Produktionsmengen wird daher bei der Entwicklung viel Aufwand für optimalen Ressourcenverbrauch betrieben. Bei geringen Stückzahlen fallen die Materialkosten weniger ins Gewicht. So werden teurere, aber flexiblere Bausteine (z. B. FPGAs) die Entwicklungszeit verringern.
Entwicklungsumgebung
Siehe System Design Kit.

Anwenderseitige Entwurfsprobleme bei eingebetteten Systemen

Mit dem verstärkten Einsatz von eingebetteten Systemen in Automobilen macht sich ein weiteres Problem bemerkbar: Die Anzahl der Systeme ist so hoch, dass der verfügbare Platz in einem Auto nicht ausreicht und der Verkabelungsaufwand steigt. Deshalb werden mehrere Steuerfunktionen in einem Steuergerät vereint, ermöglicht durch leistungsfähige 32-Bit-Mikrocontroller. Speicherschutzmechanismen wie MPU oder MMU, die dafür sorgen, dass sich die einzelnen Funktionen nicht gegenseitig beeinflussen können, sind jedoch im Allgemeinen weiterhin eher unüblich. Auch sollte die Verbreitung von 8/16-Bit-Controllersystemen nicht unterschätzt werden. In diesem Marktsegment gilt die Maxime der Stromverbrauchs- sowie der Kostenminimierung und daher das Prinzip „nur so viel wie nötig“.

Geschichte

Der erste prominente Einsatz eines eingebetteten Systems war der des Apollo-Guidance-Computers, der von Charles Stark Draper zusammen mit dem MIT Instrumentation Laboratory entwickelt wurde. Jeder Flug auf den Mond hatte zwei dieser Systeme dabei, die zur Steuerung verwendet wurden. Das Inertial Guidance System wurde sowohl im Kommandomodul als auch in der Mondlandefähre (LEM, Lunar Excursion Module) verwendet.

Zu Beginn des Apollo-Projekts wurde dieses System als eine der riskantesten Komponenten des Projektes angesehen.

Die ersten eingebetteten Systeme wurden aber schon vorher in der Minuteman-Rakete eingesetzt und in Serie produziert. Die Anwendung war ein Wege-Such-System, das der Rakete nach einmaliger Programmierung ein unabhängiges Manövrieren ermöglichte. Durch den Preisverfall öffneten sich die verwendeten integrierten Schaltungen allmählich einem größeren Kreis von Anwendungen.

Die entscheidende Eigenschaft des Minuteman-Computers war, dass man den Weg-Finde-Algorithmus später programmieren konnte, wodurch sich die Rakete wesentlich präziser einsetzen ließ. Ein weiterer Vorteil bestand in der Selbsttestfunktion der Rakete zur Statusabfrage sowie darin, dass man zugunsten des Gewichtes auf größere Mengen von Kabeln verzichten konnte.

Siehe auch

Architekturen

Begriffe und Konzepte

Literatur

  • Ralf Gessler: Entwicklung Eingebetteter Systeme: Vergleich von Entwicklungsprozessen für FPGA- und Mikroprozessor-Systeme; Entwurf auf Systemebene. 2., aktualis. und erw. Aufl., Springer Vieweg, Wiesbaden [2020], ISBN 978-3-658-30548-2.
  • Joachim Wietzke: Embedded Technologies: Vom Treiber bis zur Grafik-Anbindung. (= Xpert.press) Springer Vieweg, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-23995-3.
  • Thomas Eißenlöffel: Embedded-Software entwickeln: Grundlagen der Programmierung eingebetteter Systeme: eine Einführung für Anwendungsentwickler. dpunkt Verl., Heidelberg 2012, ISBN 978-3-89864-727-4.
  • Jörg Wiegelmann: Softwareentwicklung in C für Mikroprozessoren und Mikrocontroller: C-Programmierung für Embedded-Systeme. 7., neu bearb. und erw. Aufl. VDE Verlag, Berlin, Offenbach 2017, ISBN 978-3-8007-4328-5.
  • Oliver Bringmann, Walter Lange, Martin Bodgan: Eingebettete Systeme: Entwurf, Synthese und Edge AI. 4. Aufl., De Gruyter Oldenbourg, Berlin 2022, ISBN 978-3-11-070205-7.

Weblinks

Commons: Eingebettete Systeme – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Jürgen Quade, Michael Mächtel: Moderne Realzeitsysteme kompakt: eine Einführung mit Embedded Linux. dpunkt-Verl., Heidelberg 2012, ISBN 978-3-89864-830-1, S. 3–5, 157–173.
  2. ↑ Dieter Zöbel: Echtzeitsysteme: Grundlagen und Planung. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-76395-6, S. 18.
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